浅析碳纤维在建筑结构加固技术中的应用

摘要：目前，由于旧建筑改造的需要，增加建筑功能，如电梯等，对旧建筑结构影响大，需要进行结构加固，使碳纤维布在建筑结构加固技术中得到较为广泛的应用。

关键词：碳纤维、结构加固

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

近年来，随着城市化的发展，人民物质生活水平大幅提高，对生活素质的要求不断增长。很多上世纪建成的居住建筑的布局和规划已不能满足人民的生活需要，例如很多7、8层高的小高层普遍没有电梯，卫生间相对较少等。而由于城市楼价的增长，购买新建的带电梯楼盘小区，对普通的城市居民和工薪阶层来说基本不可能。因此，对原居所或购买旧房子进行重新装修和加建电梯已成普遍现象。而旧房子装修过程中，由于功能的增加或转变，对结构影响很大，如何对结构进行加固和保护成为一个重要的课题。目前采用较为普遍的是碳纤维加固方法。

碳纤维加固方法是近年来得以迅速发展的混凝土结构加固技术,采用改性环氧树脂类粘结材料将碳纤维布(CFRP)粘贴于混凝土表面进行结构补强加固并改善受力性能。碳纤维布具有极高的抗拉强度和弹性模量,并具有比钢材更好的抗疲劳性能,用碳纤维布制成的复合材料其密度只有钢材的1/5。碳纤维材料具有优良的抗化学腐蚀能力和耐久性能。在施工方面,粘贴后对原结构自重和构件尺寸的影响很小,工效高,不需要大型施工机具,变形性能强,能在各种形状的结构物上进行修补,由于碳纤维材料是柔性的,即使被加固的结构表面不是非常平整,也可以接近甚至达到100%的有效粘贴率。该项技术在日本、美国等发达国家已被广泛应用,在建筑物、桥梁、特种结构等土木工程中均有大量成功应用的实例。

一、建筑工程实例中的碳纤维布加固技术的设计分析

以下就东建集团东方广场项目加建电动扶梯梁的实例进行碳纤维加固方法的技术特点和施工处理手法简单的论述。

见下图，下部为旧有建筑结构梁，需要在加建电动扶梯基础梁（图中上部“加建梁”），经采用PKPM程序对结构进行验算，原有梁虽然能够支承除了新建步梯的荷载，但由于原有梁在搭接梁位处没有设吊筋，需要进行跨中承托进行加固，处理方案为采用碳纤维布加固。加固设计时将碳纤维布按强度换算成钢筋量,按照与钢筋混凝土构件抗弯计算同样的方法进行计算。采用极限状态法进行承载力极限状态和正常使用极限状态的计算。沿钢筋混凝土构件强度不足的主筋方向粘贴碳纤维布。具体措施为:在梁底沿跨粘贴碳纤维200mm，跨中沿加建梁两侧各设三道100宽碳纤维布，碳纤维布尽端（板底和梁头）用纤维织物压条压实。碳纤维布采用德国产UDO200碳纤维布,织物厚度为0•13 mm,幅宽30 mm,面密度为200 g/m2,主要技术指标:抗拉强度为3 650 MPa,抗拉弹性模量为297 GPa,延伸率为1•6%。粘结材料采用国产JGN碳纤维粘贴专用胶,粘结抗拉强度>28 MPa,抗剪强度>18 MPa,抗压强度>50 MPa。

二、碳纤维布加固技术的施工工艺要求

碳纤维布加固的施工工艺相对比较简单,但对施工过程要求较严,对施工人员的素质要求较高。碳纤维布加固屋面板主要施工步骤:

1、结构表面裂缝修补:根据拱形屋面板的现状修补裂缝。当裂缝宽度1 mm时,采用微膨胀水泥灌浆。

2、基面处理:用钢丝刷清理混凝土表面,除去灰尘、水泥粉末和松散的混凝土碎屑,露出干净的混凝土表面。用砂轮机打磨表面,并清除残留的混凝土粉末。对混凝土的蜂窝、麻面采用环氧树脂砂浆修补,打磨平整后用丙酮清洗基面。

3、涂底胶:当基面干燥后涂一层底胶,使底胶渗入混凝土表面的孔隙中,确保混凝土及碳纤维布之间充分结合。通常根据底胶的标准用量(kg/m2)算出粘贴的总用量,并确保该用量在可使用时间内用完。按主剂∶硬化剂(质量比)的比例准确称量,将称量好的主剂和硬化剂倒入桶中,搅拌均匀。在选定的面积上根据标准用量控制厚度,用毛刷、滚筒将底胶均匀涂于混凝土表面上。当涂抹结束后,在工艺要求的时间内(不超过7 d)进行下一步工作。

4、涂粘结胶:根据粘结胶的标准用量算出总用量,并确保该用量在可用时间内用完。按主剂与硬化剂的配比倒入桶中,进行搅拌,直至颜色均匀,用滚刷均匀地涂于粘贴面上。

5、粘贴碳纤维布:将碳纤维布按设计尺寸裁好后粘贴于树脂涂层上,用滚轮或橡皮刮刀顺着纤维方向用力推平数次,除去所有气泡,使碳纤维布充分浸渍在树脂胶中,粘贴后固化。当纤维有浮出或脱线情况时,用滚轮或橡皮刮刀压平修正。

6、涂第二层粘结胶:其工艺与涂第一层粘结胶相同,采用特制滚轮在上面反复滚动,除去所有的气泡和多余树脂,使碳纤维布充分浸渍在树脂胶中,在搭接等部位要多涂刷一些。

7、在第一层碳纤维布上粘贴叠合层时,重复以上相关步骤。在实际施工中应特别注意两点:

1)一定要处理好界面,否则会直接影响粘结强度,混凝土表面可采用专用工具细心打磨,用丙酮擦洗干净;

2)粘贴碳纤维布时一定要将其擦洗干净,要均匀涂刷粘结剂,粘贴时用滚轮来回加压滚实,确保没有起鼓。

三、碳纤维布加固技术在结构加固技术中优点明显

在东方广场项目加建电动扶梯梁结构加固中的应用分析碳纤维布加固所用的材料包括碳纤维材料和树脂材料。碳纤维布为连续碳纤维单向或多向排列、未经树脂浸渍固化的布状碳纤维制品;树脂材料主要为环氧基树脂,按使用功能划分,分为底层树脂、找平材料、浸渍树脂。东方广场项目加建电动扶梯梁结构加固的碳纤维布面密度仅为250 g/m2,约为3 mm厚钢板的1/10,几乎不增加结构自重,不会引起结构的连锁补强。此外,碳纤维材料还具有良好的抗腐蚀性能。从受力性能来看,碳纤维布具有很高的拉伸强度和疲劳性能,适合于东方广场项目加建电动扶梯梁结构的加固。从实践应用角度来看,碳纤维加固混凝土技术避免了其他加固方法增大结构尺寸、减少建筑使用空间、增加自重、施工周期长、耐腐蚀性差等缺点,最大限度地保证了原有梁的梁高不增加，保证了建筑使用空间，符合增加电动步梯功能的设想。加固后的结构作为二次组合结构,通过新、旧两部分整体工作,提高了建筑的承载能力。

与传统的加大截面法、外包钢板法、缠绕钢丝、预应力法相比,碳纤维布加固混凝土技术无加固损伤,不用担心由于结构新、旧结合处的应力集中而减弱加固效果。与粘钢板加固技术相比,碳纤维布加固不需要辅助机具,施工简便,有效粘贴面积易于保证,施工效率较高,符合本次加建电动扶梯工程施工范围小，施工面卫生整洁及工期紧的要求，在加建电动步梯的过程中，不影响商场的正常营业。在工程控制方面,碳纤维加固混凝土技术是通过在混凝土结构外部粘贴碳纤维布,通过二者协同受力,达到加固目的。粘结剂是进行碳纤维粘贴控制、实现碳纤维工程性能的关键。从目前的实践效果看,除了要按照规定顺序使用配套粘结剂外,还要采取相应的浸润、碾压、针注等质量控制措施,从多个环节保证碳纤维布的可靠粘贴,使碳纤维布的性能得到充分发挥。在技术经济方面,与传统的加固技术相比,碳纤维布加固混凝土技术具有良好的经济性能。从表面上看,碳纤维布的材料价格相对要高一些,但实际用于加固工程时,其综合造价却较低:首先,碳纤维布加固工程不需要大型施工机具和辅助机械,节省了台班费用;其次,碳纤维布属于轻质柔性材料,易于施工,降低了人工费用;再次,碳纤维布具有良好的耐腐蚀性能,不需要定期维护,节省了维护费用。因而,碳纤维加固混凝土技术具有很强的市场竞争力。

东方广场项目加建电动扶梯的梁结构加固采用碳纤维布加固方法是一种有效的混凝土结构加固技术,加固设计时可将碳纤维布按强度换算成钢筋量,按照与钢筋混凝土构件抗弯计算同样的方法进行计算。碳纤维布加固施工中应特别注意加固界面的处理以及碳纤维布粘贴的密实,以确保加固效果。与传统的加固技术相比,碳纤维布加固混凝土技术具有良好的综合性能及经济性能。

四、结束语

总而言之，在当前旧建筑改造乃至旧城改造中，新型材料碳纤维在结构的加固中应用越来越广，其施工工艺简单、施工范围小、施工界面干净、结构换算成熟、加固面小、工期短、成本适中等特点为其它加因技术不可比拟。碳纤维是一种节能环保新型材，值得大力推广。

参考文献 ：中国工程建设标准化协会标准.碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程(征求意见稿).2000